پایش وضعیت ترانسفورماتور: حسگرها، هشدارها و داده‌هایی که ایستگاه فرعی شما را نجات می‌دهند

پارسال در پاییز، یک شرکت توزیع برق در منطقه میانی غربی ایالات متحده تماس گرفت و دربارهٔ یک ترانسفورماتور ۱۵ مگاولت‌آمپر که در ساعت ۳ صبح با فعال‌شدن محافظت دیفرانسیل قطع شده بود، اطلاع داد. آخرین نمونه روغن آن‌ها که شش ماه پیش گرفته شده بود، از نظر تمام گازهای محلول در روغن سالم گزارش شده بود. ما مخزن را باز کردیم و خطایی با انرژی پایین در سیم‌پیچ یافتیم که هفته‌ها در حال توسعه بود — خطایی که در چنین برنامه‌ای از نمونه‌برداری که هر شش ماه یک‌بار انجام می‌شد، قابل مشاهده نبود. آن تماس تلفنی نحوه‌ای که هر گفت‌وگویی دربارهٔ قابلیت اطمینان را آغاز می‌کنیم را تغییر داد: با پایش وضعیت ترانسفورماتور ، نه با فهرست قیمت‌ها.

 

پایش وضعیت ترانسفورماتور در عمل شامل چه مواردی می‌شود

پایش وضعیت شبیه به یک محصول تکی به نظر می‌رسد، اما در واقع استراتژی‌ای لایه‌لایه است. در پایهٔ این ساختار، ابزارهایی قرار دارند که هر دستگاهی از پیش دارد: نمایشگرهای دمای روغن، نشانگرهای دمای پیچش‌ها، رله‌های بوخهلتس و دستگاه‌های اطمینان فشار. در لایهٔ بالاتر، اپراتورها تحلیل گازهای حل‌شده (DGA) را به‌صورت دوره‌ای و از طریق آزمایشگاه انجام می‌دهند. در بالاترین لایه، پایش آنلاین ترانسفورماتور سیستم‌ها داده‌ها را به‌طور مداوم از حسگرهای نصب‌شده روی مخزن، عایق‌های عبوری و سیستم خنک‌کننده — از جمله غلظت گاز در روغن، دمای پیچش‌ها، تخلیه جزئی و فعالیت تغییردهندهٔ تپ — مستقیماً به اتاق کنترل منتقل می‌کنند.

لایه‌ای که نیاز دارید، بستگی به این سؤال دارد: اگر این ترانسفورماتور بدون هشدار از کار بیفتد، هزینه‌اش چقدر خواهد بود؟ یک ترانسفورماتور ۵۰۰ کیلوولت‌آمپری با نصب روی زمین در یک فیدر با بار کم ممکن است هرگز توجیهی برای تجهیزات آنلاین نداشته باشد. اما یک ترانسفورماتور ۳۰ مگاولت‌آمپری که یک پردیس مرکز داده یا یک واحد تصفیه نفت را تغذیه می‌کند، محاسبه‌ای کاملاً متفاوت است. ما به خریداران توصیه می‌کنیم طرح سیستم نظارتی را پیش از سفارش ترانسفورماتور طراحی کنند، زیرا نصب حسگرها در مرحلهٔ بعدی به معنای نیاز به یک پنجرهٔ دوم قطع برق، جرثقیل دوم و نیز کار با روغن است که می‌توانستید از آن اجتناب کنید.

 

چهار سیگنال که بیشتر قطعی‌های غیر برنامه‌ریزی‌شده را پیش‌بینی می‌کنند

در طول نزدیک به دو دهه ساخت و عیب‌یابی ترانسفورماتورها، مشاهده کرده‌ایم که اکثر شکست‌های زودرس خود را از طریق چهار سیگنال قابل اندازه‌گیری اعلام می‌کنند. اگر این چهار سیگنال را بخوانید، مشکلات را ماه‌ها زودتر از میانگین صنعتی تشخیص خواهید داد.

روند تحلیل گازهای حل‌شده

خطاهای رخ‌داده درون ترانسفورماتور غوطه‌ور در روغن، روغن و عایق کاغذی را به گازهای مشخصه‌ای از جمله هیدروژن، متان، اتیلن و — گازی که توجه ما را بیشتر جلب می‌کند — استیلن تجزیه می‌کنند؛ زیرا استیلن در صورت وجود قوس الکتریکی یا نقطه‌ی داغ شدید تولید می‌شود. یک نمونه‌برداری تنها اطلاعات کمی در اختیار شما قرار می‌دهد؛ اما روند تغییرات همه‌چیز را آشکار می‌سازد. راهنمای آی‌ئی‌ئی‌ئی سی۵۷٫۱۰۴ که مهندسان آزمایش ما برای تهیه‌ی هر گزارش تحلیل گازهای محلول (دی‌جی‌اِی) از آن استفاده می‌کنند، سطوح وضعیت و نرخ تولید گاز را بر اساس روند تغییرات و نه بر اساس یک خواندن منفرد تعریف می‌کند. وقتی اتیلن در سه نمونه‌ی متوالی به‌صورت پیوسته افزایش یابد، ترانسفورماتور در حال صحبت کردن است — و یک تصویر لحظه‌ای نمی‌تواند آن را بشنود.

دمای سیم‌پیچ و پیرشدگی حرارتی

طول عمر عایق طبق منحنی پیرشدگی مستندشده‌ای پیش می‌رود. تحت استاندارد آی‌ئی‌سی ۶۰۰۷۶-۷ راهنمای بارگذاری: هر کاهش ۶ درجه‌سانتی‌گرادی در دمای نقطهٔ داغ، نرخ پیرشدگی حرارتی نسبی را تقریباً به نصف می‌رساند؛ و هر افزایش ۶ درجه‌سانتی‌گرادی آن را دو برابر می‌کند. واحدی که در بار اسمی با دمای نقطهٔ داغ ۱۱۰ درجهٔ سانتی‌گراد — به جای دمای طراحی شدهٔ ۹۸ درجهٔ سانتی‌گراد — کار می‌کند، حدوداً چهار برابر سریع‌تر پیر می‌شود — به‌صورت بی‌صدا، زیرا هیچ هشداری تا زمانی که عایق کاغذی قبلاً تخریب شده است، صادر نمی‌شود. نظارت مداوم بر دمای پیچش‌ها با آستانهٔ هشدار، ارزان‌ترین شکل نگهداری پیش‌بینانه برای ترانسفورماتورها است که در نزدیکی ظرفیت اسمی کار می‌کنند.

تفجر جزئی

تفريقي بار جزئي (PD) صداي اوليه‌ي نقصان عايق در واحدهاي غوطه‌ور در روغن و نوع خشك است. ما به‌طور معمول در سالن آزمايش كارخانه، قبل از ارسال ترانسفورماتورهاي ريزشي رزيني، مقدار PD را كمتر از ۱۰ پيكوكولن اندازه‌گيري مي‌كنيم. در شرايط كاركرد، سنسورهاي PD آنلاين لحظه‌ي افزايش فعاليت تفريقي را تشخيص مي‌دهند — اغلب سال‌ها پيش از وقوع شكست دي‌الكتريكي. چالش اين است كه نظارت بر PD نيازمند تجربه براي تفسير نتايج است: نويز زمينه، انتقال‌هاي ناشي از قطع و وصل و كورونا همه‌ي آن‌ها سايه‌روي سيگنال‌هاي واقعي مي‌اندازند؛ به همين دليل هيچ‌گاه توصيه‌اي براي نظارت بدون حمايت در مرحله‌ي راه‌اندازي ارائه نمي‌كنيم.

سائيش مكانيكي و فعاليت تغييردهنده‌ي تپ

زیرسیستمی که بیشترین احتمال خرابی را دارد، در ترانسفورماتورهای قدرت معمولاً تغییردهندهٔ ولتاژ در حالت باردار است، نه سیم‌پیچ‌ها. جریان موتور محرکه، بازخورد موقعیت تپ و دمای روغن در اطراف سوئیچ تقسیم‌کننده، همهٔ این پارامترها پیش‌از قفل‌شدن مکانیزم، به‌سوی وضعیت نامطلوبی تمایل دارند. شمارنده‌ها و ثبت‌کننده‌های سادهٔ موقعیت که اطلاعاتشان در همان صفحهٔ اسکادا (SCADA) نمایش داده می‌شود که مقادیر الکتریکی شما نیز در آن نمایش داده می‌شوند، فرآیند ناشناختهٔ سایش را به رویدادی برنامه‌ریزی‌شده برای نگهداری تبدیل می‌کنند.

 

پایش آنلاین در مقابل نمونه‌برداری دوره‌ای از روغن: انتخاب بر اساس سطح ریسک

مقایسه	نمونه‌برداری دوره‌ای از روغن	پایش آنلاین ترانسفورماتور
فرکانس داده‌ها	تصویربرداری هر ۶ تا ۱۲ ماه یک‌بار	پیوسته یا هر ساعت یک‌بار
تشخیص خطاهاى ناگهانى	تقریباً غیرممکن	هشدار در عرض چند دقیقه
هزینه معمول	هزینهٔ آزمایشگاهی هر نمونه	سنسورها + دروازه‌ی ارتباطی + خدمات سالانه
بهترین تناسب	توزیع کم‌ریسک، بودجه‌ی محدود	ایستگاه‌های تبدیل حیاتی، مراکز داده، نیروگاه‌های فرآیندی

نمونه‌برداری دوره‌ای منسوخ نشده است — بلکه همچنان ستون فقرات روش‌های کار ادراری است و چارچوب IEEE C57.104 بر این اساس ساخته شده است. مشکل واقعی این است که فاصله‌های نمونه‌برداری دقیقاً زمانی هستند که خرابی‌هایی مانند آنچه در داستان آغازین ما رخ داد، رشد می‌کنند. رویکرد ترکیبی برای اکثر مالکان بهترین گزینه است: برنامه‌ی تحلیل گاز در آزمایشگاه (DGA) را حفظ کنید، نظارت آنلاین بر گاز یا دما را به واحدهایی اضافه کنید که خرابی‌شان بیشترین آسیب را وارد می‌کند، و تمامی داده‌ها را در یک صفحه‌ی مرکزی بررسی کنید. اگر این کار به این شکل انجام شود، پایش وضعیت ترانسفورماتور به یک راه‌حل عملی تبدیل می‌شود نگهداری پیش‌بینانه برای ترانسفورماتورها در چارچوب بودجه‌ی ادراری، نه یک مورد لوکس و غیرضروری. راهنمای افزایش دمای ترانسفورماتور — رفتار نقطه‌ی داغ پایه‌ی فیزیکی هر آستانه‌ی هشداری است که تنظیم می‌کنید.

 

 

هزینه‌ی نظارت در مقابل هزینه‌ی قطعی برق

بیایید این تصمیم را با اعداد و ارقام بررسی کنیم. خرابی غیرمنتظره ترانسفورماتور یک ایستگاه فرعی به معنای پرداخت قیمت خرید واحد جایگزین، همراه با کارهای انجام‌شده در محل، و همچنین افت تولید یا درآمد در طول زمان انتظار برای نصب واحد جایگزین است؛ و در بازار امروز، زمان‌های تحویل ترانسفورماتورهای بزرگ برق بسیار فراتر از آنچه خریداران انتظار دارند، امتداد می‌یابد. در مقابل این موارد، هزینهٔ بستهٔ نظارتی برای یک ترانسفورماتور منفرد معمولاً تنها بخش کوچکی از قیمت واحد است و حق سالانهٔ خدمات، هزینهٔ عملیاتی محسوب می‌شود، نه ضربه‌ای سرمایه‌گذاری‌شده.

ما خطای برعکس را نیز مشاهده کرده‌ایم: مشتری‌ای که برای همهٔ ترانسفورماتورهای کوچک توزیع، نظارت سطح بالا را خریداری کرد و سپس هیچ بودجه‌ای برای ترانسفورماتور حیاتی باقی نگذاشت. به همین دلیل ما به اجرای یک برنامهٔ رتبه‌بندی‌شدهٔ بر اساس ریسک تأکید می‌کنیم — اینجاست که پایش وضعیت ترانسفورماتور مانند بیمه‌ای رفتار می‌کند که حق بیمه‌اش قابل اندازه‌گیری است. ابتدا با ترانسفورماتورهایی که بارهای حیاتی برای درآمد را تأمین می‌کنند یا علائم پیری در آنها دیده می‌شود، شروع کنید؛ سطح دوم را زمانی اضافه کنید که اثربخشی سطح اول اثبات شده باشد و از داده‌ها برای توجیه هر گام بعدی استفاده کنید. بودجه محدودیت واقعی است — آن را در جاهایی خرج کنید که قطعی غیر برنامه‌ریزی‌شده واقعاً آسیب‌زا باشد. پیش از تعیین مشخصات فنی، همچنین بررسی کنید که امپدانس چگونه بر ظرفیت جریان اتصال کوتاه در شبکه‌تان تأثیر می‌گذارد، در راهنمای امپدانس درصدی ترانسفورماتور .

 

آنچه در ترانسفورماتورهای رایان می‌سازیم

از سال ۲۰۲۳، رایان الکتریک به‌عنوان شریک رسمی اتحاد مشترک اتون فعالیت می‌کند و این رابطه بر نحوه‌ی ساخت واحدهای آماده‌ی پایش ما تأثیر می‌گذارد. رویه‌ی استاندارد ما نصب پیش‌از‌زمان رابط‌های مورد نیاز طرح پایش است: شیرهای نمونه‌برداری DGA با قرارگیری مناسب برای آنالیزورهای آنلاین، چاهک‌های اضافی برای پروب‌های دمای سیم‌پیچ فراتر از دو عددی که پلاک شناسایی واحد درخواست می‌کند، فلنج رله‌ی بوخهلتس و جعبه‌ی مارشالینگ که از پیش با هسته‌های اضافی برای سنسورهای آینده سیم‌کشی شده است. هنگامی که مشتری بسته‌ی پایش خاصی را مشخص می‌کند، زنجیره‌ی کامل — شامل سنسور، کابل و دروازه‌ی ارتباطی — را در حین آزمون پذیرش کارخانه، نه پس از رسیدن واحد به محل نصب، مورد تأیید قرار می‌دهیم.

هر واحدی که ما ارسال می‌کنیم، بر اساس استانداردهای UL، CSA، cULus یا IEC (بسته به مقصد) تحت آزمون نوع‌شناسی و آزمون روتین قرار می‌گیرد و کارخانهٔ ۱۲۰۰۰۰ مترمربعی ما در چین، بیش از ۱۸۰ دستگاه تجهیزات تولیدی را به‌کار می‌برد. مهندسانی که گزارش‌های آزمون را امضا می‌کنند، همان افرادی هستند که یادداشت‌های راه‌اندازی سیستم نظارتی شما را تهیه می‌کنند؛ بنابراین داده‌هایی که در سال اول مشاهده می‌کنید، دقیقاً همان داده‌هایی هستند که ما در حجرهٔ آزمون تأیید کرده‌ایم. هنگام درخواست پیش‌فاکتور، برگهٔ اختیاری «آمادهٔ نظارت» را بخواهید — این برگه شامل رابط‌های استاندارد سنسور، چاه‌های اضافی پروب و هسته‌های جعبهٔ مارشالینگ موجود در هر واحد است.

 

آنچه ترانسفورماتور شما به شما می‌گوید را بدانید — پیش از اینکه به‌صورت بلند صدا خراب شود

واحد ۱۵ مگاولت‌آمپری که در داستان آغازین ما مطرح شد امروز دوباره در حال کار است و یک نظارت‌گر گاز آنلاین بر مخزنی که تقریباً باعث خرابی آن شده بود، نظارت می‌کند. اولین سؤال اپراتور پس از بازسازی واحد، درباره‌ی هزینه‌ی تعمیرات نبود — بلکه این بود: «اولین بار چه چیزی را باید نصب می‌کردیم؟» اگر برای یک ایستگاه تبدیل، مرکز داده، مزرعه‌ی خورشیدی یا کارخانه‌ی صنعتی در حال مشخص‌کردن ترانسفورماتور هستید، پیش از ثبت سفارش، گزینه‌های آماده‌ی نظارت را درخواست کنید. پروفایل بار، رده‌ی ولتاژ و شرایط محل را ارسال کنید. ryantransformers.com — مهندسان ما به شما خواهند گفت کدام لایه‌ی نظارتی برای دقیقاً همان کاربرد شما، ارزش وجود دارد.

درباره نویسنده: این مقاله توسط تیم مهندسی ترانسفورماتور شرکت رایان الکتریک (شرکت الکتریک جیانگسو رایان محدود، Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.)) تهیه شده است؛ تولیدکننده‌ی ترانسفورماتورهای غوطه‌ور در روغن، خشک و نصب‌شده روی پایه از سال ۲۰۰۷. این تیم، شرکت‌های تأمین‌کننده‌ی انرژی، پیمانداران EPC و خریداران صنعتی در آمریکای شمالی، جنوب شرق آسیا، خاورمیانه و آفریقا را با تجهیزاتی که دارای گواهی‌های UL/CSA/cULus/IEC هستند و همچنین با مهندسی کاربردی پشتیبانی می‌کند.